Biosensor zur Erfassung toxischer Wirkungen von Umweltschadstoffen
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1 IOSENSOR 2. BSYMPOSIUM TÜBINGEN 2001 http://barolo.ipc.uni-tuebingen.de/biosensor2001 Entwicklung eines automatisierten Biosensors zur Erfassung akut toxischer Wirkungen von Umweltschadstoffen Dr. Martina Büttner, Dr. M. Diedrich, K. Drzewiecki, Dr. V. Guder und Prof. Dr. Dr. H. Bercher IUT – Institut für Umwelttoxikologie GmbH, c/o Biotechnikum, Walter-Rathenau-Str. 49a, D-17489 Greifswald Tel.: (+49)-3834 515 530 [email protected] www.iut-gmbh.de Registriernummer der Online-Anmeldung: 114 Poster __________________________________________________________________________ Die Fähigkeit zur Biolumineszenz ist ein weit verbreitetes Phänomen. Man findet sie bei Käfern, Krebsen, Mollusken, Pilzen, Protozoen und Bakterien. Die bekannten Leuchtbakterien sind marinen Ursprungs und kommen in streng spezies-spezifischer Ektosymbiose mit Tiefseebewohnern in deren Leuchtorganen vor [1]. Leuchtbakterien wie Vibrio fischeri, Photobacterium phosphoreum oder Ph. leiognathi sind Gram-negative, chemoorganotrophe, polar begeißelte, fakultativ anaerobe Stäbchen und in ihren physiologischen Merkmalen den Enterobacteriacae ähnlich und lassen sich aus Meerwasser isolieren und recht einfach auf salzhaltigen Medien im Labor kultivieren. Die Genetik und Physiologie des Leuchtprozesses in diesen Organismen ist bereits gut untersucht [2,3,4]. Neben der Nutzung des isolierten Luciferasesystems aus verschiedenen Organismen für die quantitative Erfassung von Einzelsubstanzen (wie zum Beispiel ATP, NADP(H)) hat man schon vor etwa 50 Jahren begonnen, intakte Leuchtbakterien für toxikologische Screenings und später auch für umwelttoxikologische Untersuchungen zu nutzen. Seit März 1991 ist der Leuchtbakterientest in Deutschland als DIN-Verfahren [5] eingeführt und wird zur Prüfung von Abwasser herangezogen. Er ist ebenso für Chemikalienprüfungen anwendbar. Leuchtbakterien reagieren schon auf sehr geringe Mengen z.B. an Schwermetallen und auf viele organische Schadstoffe mit einer deutlichen Abnahme ihrer Leuchtintensität. Durch die sehr kurze Testdauer von 30 Minuten im Vergleich zu anderen Tests (wie Daphnien-, Fisch-, Regenwurm- oder Algentests mit 24 Stunden bis zu 8 Wochen) und ihre hohe Sensitivität wird der Einsatz von Leuchtbakterien nicht zuletzt auch aus Gründen des Tierschutzes in Zukunft sicher weiter an Bedeutung gewinnen. 2 In unserem Institut wird seit einigen Jahren daran gearbeitet, einen Toxizitäts-Analyzer für die Umweltüberwachung zunächst wässriger Proben zu entwickeln. Wir arbeiten dabei mit einem Wildstamm von Vibrio fischeri. Unser Konzept verfolgt das Ziel, durch Immobilisierung physiologisch hoch aktiver Leuchtbakterien einen Biosensor zu entwickeln, der, integriert in ein Fließinjektionssystem, quasi-kontinuierliche Messungen über einen längeren Zeitraum erlaubt. Im Vortrag werden der Aufbau dieses Toxizitäts-Analyzers, das Meßprinzip und Ergebnisse mit Referenzsubstanzen und die Praxiserprobung an unterschiedlichen Meßstandorten vorgestellt. Die Probenahme im Grundgerät erfolgt zur Zeit stündlich. Durch Ausstattung des Toxizitäts-Analyzers mit mehreren Meßkammern kann die Frequenz der Probenahmen weiter erhöht werden. Prinzipiell kann man den Toxizitäts-Analyzer überall dort einsetzen, wo Schadstoffe produziert und freigesetzt werden. Beispiele für Anwendungsmöglichkeiten als Umweltfrühwarnsystem sind unter anderem: Toxizitätsmonitoring von Oberflächenwasser Überwachung von Abwasserteilströmen in Abwasserbehandlungsanlagen mit biologischer Klärstufe Überwachung des Gesamtwasserstroms vor bzw. nach zentraler biologischer Behandlung Überwachung von industriellen Direkteinleitern Toxizitätsmonitoring von Deponiesickerwasser Kontrolle der Rohwasseraufbereitung zur Trinkwassergewinnung Überwachung von Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen Literatur [1] Hastings, J. W., Potrikus, C. J., Gupta, S.C., Kurfürst, M. and Makemson, J. C.: Biochemistry and physiology of bioluminescent bacteria. Adv. Microbiol. Physiol. 26, 235-291 (1985) [2] Lümmen, P.: Bakterielle Biolumineszenz: Biochemie, Physiologie und Molekular-genetik. Forum mikrobiologie 10, 428-434 (1988) [3] Dunlap, P. V. and Kuo, A.: Cell-density dependent modulation of the Vibrio fischeri luminescence system in the absence of autoinducer and luxR protein. J. Bacteriol. 174, 2440-2448 (1992) [4] Haygood, M. G. and Nealson, K. H.: Mechanism of iron regulation of luminescence in Vibrio fischeri. J. Bacteriol. 162, 209-216 (1985) 3 [5] ISO 11348 1-3 (deutsche Fassung: EN ISO 11348 1-3, 1998) Bestimmung der Hemmwirkung von Wasserproben auf die Lichtemission von Vibrio fischeri (Leuchtbakterientest) Teile 1-3.; Beuth Verlag GmbH, Berlin, April 1999
